Fachoberschule. Ausbildungsrichtung Technik PHYSIK

Transkript

1 Ausbildungsrichtung Technik PHYSIK Fachprofil: Die Naturwissenschaften bestimmen heute das Denken des Menschen, seine Einstellung zu Natur und Umwelt sowie sein Handeln in hohem Maß. Dem unterricht kommt zusammen mit dem Unterricht in Chemie und Technologie/Informatik die Aufgabe zu, Interesse an naturwissenschaftlichen Fragestellungen zu wecken und die Schülerinnen und Schüler zu befähigen, durch vertiefte Kenntnisse die Zusammenhänge in Natur und Technik besser zu verstehen. Im unterricht sollen folgende übergeordnete Ziele angestrebt werden: - Verständnis für die exakte Festlegung physikalischer Größen; - Einsicht in die zentrale Bedeutung des Experimentes in der ; - Fähigkeit, Experimente zu beschreiben, durchzuführen, auszuwerten und die Genauigkeit von Messergebnissen zu beurteilen; - Gewandtheit im Gebrauch der Fachsprache sowie im Umgang mit Formeln und Größengleichungen; - Einsicht, dass Gesetze und Modelle nur innerhalb bestimmter Grenzen ihre Gültigkeit haben; - Bewusstsein, dass physikalische Erkenntnisse in der Technik Anwendung finden; - Offenheit für Probleme des Umweltschutzes und Bereitschaft, durch sparsamen Umgang mit Rohstoffen zur Verbesserung der Umweltbedingungen beizutragen; - Einsicht in die Notwendigkeit von Maßnahmen zur Unfallverhütung. Ausgehend von den Lerninhalten der Mittelstufe sollen physikalische Begriffe und Strukturen erarbeitet und physikalische Methoden entwickelt werden. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der physikalisch sachgerechten Darstellung und ihrer exakten fachsprachlichen Formulierung. In der Jahrgangsstufe 11 werden ausgehend von der Erfahrungswelt der Schülerinnen und Schüler grundlegende Begriffe der Mechanik wie Kraft, Masse und Energie behandelt. Im physikalischen Praktikum können die Schülerinnen und Schüler bei der gemeinsamen Bearbeitung und Lösung physikalischer Aufgabenstellungen ihr Wissen und ihre experimentellen Fähigkeiten festigen und erweitern sowie die Fähigkeit zur Teamarbeit entwickeln.

2 Jahrgangsstufe 11 In der Jahrgangsstufe 12 wird unter verstärkter Einbeziehung der Mathematik zunächst mit Impuls und Schwingung die Mechanik abgerundet. Der Schwerpunkt dieser Jahrgangsstufe liegt in der vergleichenden Betrachtung von Gravitationsfeld, elektrischem Feld und Magnetfeld. Das Denken der Schülerinnen und Schüler in Analogien soll dadurch gefördert werden. Der zunehmenden Bedeutung des Computers in Forschung und Technik als Hilfsmittel bei Simulation und Messwerterfassung bzw. -verarbeitung soll im Unterricht Rechnung getragen werden. Die enge Verzahnung der mit Mathematik, Technologie/Informatik und Chemie, die auch den Schülerinnen und Schülern verdeutlicht werden soll, erfordert eine intensive Zusammenarbeit der Lehrkräfte. Lerngebiete: 11.1 Geradlinige Bewegung 32 Std Kraft und Masse 13 Std Kreisbewegung 14 Std Arbeit, Energie, Leistung 17 Std. Summe 76 Std.

3 Ausbildungsrichtung Technik Jahrgangsstufe Geradlinige Bewegung 32 Std Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit Die Schülerinnen und Schüler können Bewegungsabläufe in Abhängigkeit vom Bezugssystem beschreiben und verschiedenen Grundbewegungsarten zuordnen. Aus der Beobachtung einer geradlinigen Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit sind sie in der Lage, mit Hilfe von Bezugssystemen die Ortsveränderungen zu beschreiben und mit geeigneten Diagrammen graphisch darzustellen. Sie können Problemstellungen aus der geradlinigen Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit rechnerisch und zeichnerisch lösen. Sie erfahren, dass Bewegungen sich unabhängig voneinander überla-gern können, und sind in der Lage dieses Prinzip anzuwenden. Grundbewegungsarten: - Translation - Rotation Bewegung als Ortsveränderung in einem Bezugssystem Beschreibung der Bewegung mit Hilfe von Ortsvektoren und Koordinaten Abhängigkeit der Beschreibung von der Wahl des Bezugssystems Geschwindigkeit als abgeleitete Größe: x v = t Geschwindigkeit als Vektor; Unterscheidung zwischen Betrag und Koordinate Koordinatengleichung: x = x 0 + v t Einfache Bewegungen aus dem Erfahrungsbereich der Schülerinnen und Schüler aufgreifen Verdeutlichen, dass die Begriffe Ruhe und Bewegung relativ sind

4 Ausbildungsrichtung Technik Jahrgangsstufe 11 Darstellung von Bewegungen im - x(t)-diagramm - v(t)-diagramm Auswerten von Fahrbahnmessdaten Interpretation von - Geradensteigung im x(t)-diagramm - Fläche im v(t)-diagramm Vektorielle Addition von Geschwindigkeiten: - Berechnung nur im rechtwinkligen Dreieck - graphische Lösung auch bei beliebigen Winkeln zwischen den Vektoren Z.B. Bewegung eines Flugzeugs bei Seitenwind

5 Ausbildungsrichtung Technik Jahrgangsstufe Bewegung mit konstanter Beschleunigung Die Schülerinnen und Schüler verstehen die physikalische Definition der Beschleunigung und können die Gesetzmäßigkeiten der geradlinigen Bewegung mit konstanter Beschleunigung aus Messwerten durch graphische und rechnerische Methoden entwickeln. Durch die Diskussion der Auswertungen erschließt sich ihnen der Einfluss von Anfangsbedingungen einer geradlinigen, konstant beschleunigten Bewegung. Sie entwickeln die allgemeinen Bewegungsgleichungen und wenden diese auch im Hinblick auf die Überlagerung beschleunigter Bewegungen an. Beschleunigung als abgeleitete Größe: v a = t Beschleunigung als Vektor Mittlere Geschwindigkeit Momentangeschwindigkeit Darstellung der Bewegung mit - x(t)-diagramm - v(t)-diagramm - a(t)-diagramm Koordinatengleichungen: v = v o + a t 1 2 x = x0 + v0 t+ a t v v = 2 a x 0 Freier Fall, Messung der Fallbeschleunigung Auswertung von Messversuchen Vorbereitung der Begriffe Sekantensteigung und Tangentensteigung für den Mathematikunterricht

6 Ausbildungsrichtung Technik Jahrgangsstufe 11 Beschreibung, Berechnung und graphische Darstellung ausgewählter, reibungsfreier Bewegungen: - Überhol- und Begegnungsvorgänge - senkrechter Wurf - waagrechter Wurf 11.2 Kraft und Masse 13 Std. Die Schülerinnen und Schüler erschließen sich durch Auswerten geeigneter Versuchswerte den Zusammenhang zwischen Kraft, Masse und Beschleunigung. Sie sind in der Lage diesen Zusammenhang unter Zuhilfenahme von Kräfteplänen anzuwenden. Erstes Newton sches Gesetz (Trägheitsprinzip) r r Zweites Newton sches Gesetz (F = m a) Drittes Newton sches Gesetz (Wechselwirkungsprinzip) Kräftepläne Bewegungen mit und ohne Reibung: - Antriebs- und Bremsvorgänge - geneigte Ebene Messversuche und Auswertung an einer horizontalen Fahrbahn Die konstante Beschleunigung kann durch eine umgelenkte Gewichtskraft bewirkt werden. Herausstellen, dass die Summe aller auf einen Massenpunkt wirkenden Kräfte die resultierende Kraft ist, die den Körper beschleunigt. Anwendungsbeispiele aus dem Straßenverkehr heranziehen

7 Ausbildungsrichtung Technik Jahrgangsstufe Kreisbewegung Anknüpfend an die Grundbegriffe der geradlinigen Bewegung werden die Schülerinnen und Schüler mit den charakte-ristischen Größen einer Kreisbewegung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit vertraut. Sie erkennen, dass die Kreisbewegung eine beschleunigte Bewegung ist, die eine Kraft erfordert. Anhand verschiedener Beispiele werden die Schülerinnen und Schüler befähigt Kreisbewegungen aus der Natur und der Technik quantitativ zu erfassen. Umlaufdauer Drehfrequenz Winkelgeschwindigkeit Bahngeschwindigkeit Zentralbeschleunigung a 2 z =ω r = Zentralkraft v r 2 Zentrifugalkraft im rotierenden Bezugssystem r r Verdeutlichen, dass stets gilt: az v Formel deduktiv herleiten Experimentelle Untersuchung der Zentralkraft Herausstellen, dass ein Körper, der im ruhenden Bezugssystem eine Kreisbewegung beschreibt, im entsprechenden rotierenden Bezugssystem ruht 14 Std. Beispiele für Anwendungsaufgaben: Erdrotation, Zentrifuge, Kettenkarussell, Fahrzeuge auf Kreisbahnen, Kurvenüberhöhung Auf das Erstellen von Kräfteplänen unter Beachtung des Bezugssystems sollte besonderer Wert gelegt werden.

8 Ausbildungsrichtung Technik Jahrgangsstufe Arbeit, Energie, Leistung Ausgehend vom Arbeitsbegriff der Mittelstufe erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass die an einem Körper verrichtete Arbeit gleich seiner Energieänderung ist. Anhand von Beispielen sollen die Schülerinnen und Schüler die Tragfähigkeit des Energieerhaltungssatzes als wirksames Instrument zur Lösung physikalischer Aufgaben erkennen und zur selbständigen Anwendung fähig werden. Arbeit bei konstanter Kraft als Skalarprodukt von Kraft und Weg Interpretation der Fläche im F(x)-Diagramm als Arbeit auch bei nicht konstanter Kraft Arten von Arbeit: - Hubarbeit - Beschleunigungsarbeit - Reibungsarbeit - Spannarbeit Energie als Arbeitsvermögen eines Körpers: - potentielle Energie: Lageenergie Spannenergie - kinetische Energie - Wärmeenergie Gesetz über die Energieerhaltung in einem abgeschlossenen System Vorbereitung des Integralbegriffs Formulierung der Arbeit als bestimmtes Integral dann, wenn das Integral im Mathematikunterricht eingeführt worden ist Am Sonderfall der geneigten Ebene kann die Unabhängigkeit der Hubarbeit vom Weg gezeigt werden. Herleitung mit Hilfe des F(x)-Diagramms 17 Std. Heranziehen von Beispielen: freier Fall, Fadenpendel, Federpendel, Schleifenbahn, Pumpspeicherwerk Sonderfall: Erhaltung der mechanischen Energie in einem

9 Ausbildungsrichtung Technik Jahrgangsstufe 11 reibungsfreien, abgeschlossenen System Erweiterung des Arbeitsbegriffs: W = E Unabhängigkeit der Hubarbeit vom Weg herausstellen Klarstellen, dass an einem Körper negative Arbeit verrichtet wird, wenn dessen Gesamtenergie abnimmt Mittlere Leistung: Pm r r Leistung: P = F v Wirkungsgrad E = t Beispiele: Auto, Kraftwerk, Mensch Der Ansatz P = E wird im Mathematikunterricht nach Einführung der Ableitung bereitgestellt.

10 Ausbildungsrichtung Technik PHYSIKALISCHES PRAKTIKUM Lerngebiet: Messen physikalischer Größen, Fehlerrechnung 38 Std Anhand einfacher, gemeinsam durchgeführter Versuche erhalten die Schülerinnen und Schüler einen Einblick in das sachgerechte physikalische Experimentieren. Sie lernen unter Beachtung der Sicherheitsvorschriften und der erforderlichen Sorgfalt, physikalische Versuche aufzubauen und sinnvolle Messreihen aufzunehmen. Sie können die Messergebnisse graphisch und rechnerisch auswerten und bezüglich der Gültigkeitsgrenzen kritisch hinterfragen. Hinweis: Die im Folgenden mit gekennzeichneten Versuche sind verbindlich. Versuche, die mit m gekennzeichnet sind, können darüber hinaus zur Vertiefung und Einübung durchgeführt werden. Versuche zur Mechanik: Dichtebestimmung von regelmäßig und unregelmäßig geformten Körpern Nachweis des Hooke schen Gesetzes und Bestimmung der Federkonstanten m Bestimmung der Federkonstanten mit Hilfe der Periodendauer einer Schwingung

11 Ausbildungsrichtung Technik Jahrgangsstufe 11 Sie erkennen, dass bei einer Messung Fehler auftreten und können zwischen systematischen und zufälligen Fehlern unterscheiden. Die Schülerinnen und Schüler können bei einer direkten Messgröße die absolute und relative Messunsicherheit abschätzen. Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass bei einer indirekten Messgröße die Unsicherheiten der Eingangsgrößen das Ergebnis beeinflussen. Mit Hilfe der direkten numerischen Größtfehlerrechnung können sie aus den Unsicherheiten der Eingangsgrößen die Unsicherheit des Ergebnisses ermitteln. Die Schülerinnen und Schüler lernen bei einfachen Versuchen die Fehlerfortpflanzung als ein verkürztes Verfahren zur Bestimmung der Unsicherheit m Dichtebestimmung von Flüssigkeiten m Projektarbeit Versuche zur Wärmelehre: Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität Nachweis der Gesetze von Boyle-Mariotte und Gay-Lussac m Bestimmung der spezifischen Schmelzwärme oder der spezifischen Verdampfungswärme m Projektarbeit Versuche zur Elektrizitätslehre: Bestimmung des elektrischen Widerstands durch Strom- und Spannungsmessung m Widerstandsmessung mit Hilfe der wheatstone schen Brückenschaltung Mohr sche Waage Z.B. Bewegung auf der geneigten Ebene Bestimmung des absoluten Nullpunktes Z.B. Stirlingmotor Vergleich der Genauigkeit der beiden Methoden

12 Ausbildungsrichtung Technik Jahrgangsstufe 11 einer indirekten Messgröße kennen. Sie können dieses Verfahren bei Summen und Differenzen, bei Produkten und Quotienten anwenden. Sie können ein Messergebnis einschließlich seiner Unsicherheit durch die signifikante Stellenzahl ausdrücken. m Innenwiderstand einer Spannungsquelle m Kapazität eines Plattenkondensators m Projektarbeit Versuche zur geometrischen Optik: Nachweis des Reflexions- und Brechungsgesetzes, Ermittlung der Brechzahl n, Bestimmung des Grenzwinkels Untersuchung der Abbildungseigenschaften von Linsen und Bestimmung der Brennweite m Bestimmung der Brennweite nach Bessel m Projektarbeit Z.B. Energieinhalt einer Batterie, Wirkungsgrad von Solarzellen Auch mit computerunterstützter Messwerterfassung durchführbar Z.B. Untersuchungen an einfachen optischen Geräten

13 PHYSIK, Jahrgangsstufe 12 Lerngebiete: 12.1 Impuls, Erhaltungssätze 20 Std Mechanische Schwingung 27 Std Gravitation 14 Std Elektrisches Feld 53 Std Magnetisches Feld und Induktion 51 Std. Summe 165 Std Impuls, Erhaltungssätze Die Schülerinnen und Schüler verstehen, dass das Impulserhaltungsgesetz eine Erweiterung der Newton schen Gesetze ist. Sie lernen an ausgewählten Beispielen, die Gesetze zur Erhaltung der Energie und des Impulses zur Lösung einfacher Aufgaben zur Mechanik anzuwenden. Impuls als vektorielle Größe Impulsänderung bei konstanter Kraft: p F = t Gesetz der Impulserhaltung Vollelastischer zentraler Stoß Unelastischer zentraler Stoß 20 Std. Die Verallgemeinerung F = p wird im Mathematikunterricht nach Einführung der Ableitung bereitgestellt. Hinführung mit Hilfe des dritten Newton schen Gesetzes Anwendungsbeispiele: Raketenantrieb, ballistisches Pendel In Aufgaben zu Energie- und Impulserhaltung wird auch an die Lerninhalte der 11. Jahrgangsstufe angeknüpft.

14 Ausbildungsrichtung Technik Jahrgangsstufe Mechanische Schwingungen Anhand von Demonstrationsexperimenten erhalten die Schülerinnen und Schüler einen Einblick in die Bedeutung periodisch ablaufender Bewegungsvorgänge in Natur und Technik und werden mit den wichtigsten Größen einer Schwingung vertraut. In der experimentellen und theoretischen Auseinandersetzung mit ausgewählten schwingungsfähigen Systemen lernen die Schülerinnen und Schüler die Gesetzmäßigkeiten von harmonischen Schwingung als periodischer Vorgang Periodendauer, Frequenz, Elongation, Amplitude Dämpfung Harmonische Schwingung Sinusförmiger Verlauf der Koordinaten von Elongation, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Rückstellkraft Kreisfrequenz Bewegungsgleichungen bei verschiedenen Anfangsbedingungen Linien- und Zeigerdiagramm Lineares Kraftgesetz, Richtgröße, Differenzialgleichung der harmonischen Schwingung Zusammenhang zwischen Periodendauer, Richtgröße und Masse Untersuchung verschiedener schwingungsfähiger Systeme auf Gültigkeit des linearen Kraftgesetzes 27 Std. Vorführung verschiedener schwingungsfähiger Systeme Parallelprojektion einer Kreisbewegung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit experimentell mit einer harmonischen Schwingung vergleichen An diesem Beispiel soll den Schülerinnen und Schülern der Begriff Differenzialgleichung erläutert werden. Der Zusammenhang wird mit Hilfe der Differenzialgleichung hergeleitet. Beispiele für schwingungsfähige Systeme: Federpendel, schwingende Flüssigkeitssäule im U-Rohr, Fadenpendel

15 Ausbildungsrichtung Technik Jahrgangsstufe 12 Schwingungen kennen Aufbauend auf dem schon bekannten Energiebegriff lernen die Schülerinnen und Schüler eine Schwingung als einen Vorgang periodischer Energieumwandlung kennen. Sie können die Energien bei einer harmonischen Schwingung berechnen Am Experiment erkennen die Schülerinnen und Schüler das unterschiedliche Verhalten schwingungsfähiger Systeme bei einmaliger und bei periodischer Anregung. Sie beobachten das Phänomen der Resonanz und können die Vorgänge qualitativ Periodische Umwandlung potentieller und kinetischer Energie Rechnerischer Nachweis der Zeitunabhängigkeit der Gesamtenergie Freie Schwingung Eigenfrequenz Elastische Kopplung Erzwungene Schwingung Abhängigkeit der Resonatoramplitude und der Phasenverschiebung von der Erregerfrequenz Resonanz Freihandversuche mit Federpendel Nur qualitativ betrachten Computersimulation Beispiele für erwünschte und unerwünschte Resonanz, Resonanzkatastrophe

16 Ausbildungsrichtung Technik Jahrgangsstufe 12 beschreiben Gravitation Ausgehend von einem historischen Ansatz machen sich die Schülerinnen und Schüler mit den keplerschen Gesetzen vertraut. Ihnen wird bewusst, dass es sich hier um empirische Gesetze handelt. Sie können damit die Bewegungen der Planeten und der Raumkörper beschreiben und einfache Anwendungsaufgaben lösen. Erstes Keplergesetz Zweites Keplergesetz Drittes Keplergesetz 14 Std. Veranschaulichung der Gesetze durch Computersimulation

17 Ausbildungsrichtung Technik Jahrgangsstufe Die Schülerinnen und Schüler erfahren, dass zwischen Massen Wechselwirkungskräfte auftreten, die man Gravitationskräfte nennt. Sie erkennen, dass die Gewichtskraft eine Gravitationskraft ist. Sie erlangen die Fähigkeit das Gravitationsgesetz anzuwenden, und können einfache Bewegungen unter der Wirkung der Gravitationskraft berechnen. 1 2 Gravitationsgesetz: m F m Gr = G 2 r - natürliche und künstliche Satelliten - Synchronsatellit - gravitationsfreier Punkt zwischen zwei Massen Massen- und Bahnberechnungen mit Hilfe des Gravitationsgesetzes

18 Ausbildungsrichtung Technik Jahrgangsstufe Elektrisches Feld Die Schülerinnen und Schüler kennen die Kraftwirkung zwischen elektrisch geladenen Körpern. Ladungstrennung, Einheit der Ladung Anziehende und abstoßende Kraft zwischen geladenen Körpern Radialsymmetrisches elektrisches Feld Technische Anwendung: Luftreinigung, Kopierer 53 Std. Veranschaulichung elektrischer Felder durch Feldlinien 1 Q1 Q2 Coulombgesetz: F el = 4 2 π ε0 r Definition der elektrischen Feldstärke: r r Fel E = q Grießkörnerversuch, Computereinsatz q ist eine positive Probeladung Die Richtung von E r ist gleich der Richtung der elektrischen Kraft auf eine positive Probeladung. Betrag der elektrischen Feldstärke im 1 Q Coulombfeld: E = 4 2 π ε r 0

19 Ausbildungsrichtung Technik Jahrgangsstufe Die Schülerinnen und Schüler verstehen die elektrische Spannung als Potentialdifferenz. Verschiebungsarbeit im Coulombfeld Definition des Potentials Spannung als Potentialdifferenz Potential im Coulombfeld Das Bezugsniveau kann entsprechend der Aufgabenstellung beliebig gewählt werden. Messung, z.b. mit der Flammensonde Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass der Kondensator einerseits zur Erzeugung eines homogenen elektrischen Feldes, andererseits zur Ladungs- und Energiespeicherung dient. Homogenes elektrisches Feld eines Plattenkondensators Feldstärke, Verschiebungsarbeit, Potential und Spannung im homogenen elektrischen Feld Influenz Flächenladungsdichte Zusammenhang zwischen Flächenladungsdichte und Feldstärke Versuch mit den Influenzplatten

20 Ausbildungsrichtung Technik Jahrgangsstufe 12 Definition der Kapazität Auf technische Kondensatoren hinweisen Die Schülerinnen und Schüler verstehen das Millikan-Experiment und seine Bedeutung Die Schülerinnen und Schüler können die Bewegung von geladenen Teilchen im elektrischen Feld berechnen. Kapazität des Plattenkondensators Dielektrikum, Dielektrizitätszahl εr Reihen- und Parallelschaltung zweier Kondensatoren Energieinhalt eines Kondensators Millikan-Experiment Elementarladung Glühemission Bewegung von geladenen Teilchen im homogenen elektrischen Feld, wobei r v 0 E r r oder v 0 E r P Prinzip des Oszilloskops Beschränkung nur auf den Schwebefall Die Analogie zum senkrechten und waagrechten Wurf aufzeigen Betonen, dass im elektrischen Feld die Gewichtskraft auf ein Elektron grundsätzlich vernachlässigbar ist

21 Ausbildungsrichtung Technik Jahrgangsstufe Magnetisches Feld und Induktion Ausgehend von der Kraftwirkung eines Permanentmagneten lernen die Schülerinnen und Schüler das Magnetfeld als weiteres Kraftfeld kennen. Sie können es mit Hilfe von Feldlinien beschreiben Aufbauend auf der Erkenntnis, dass ein Magnetfeld auf einen stromdurchflossenen Leiter eine Kraft ausübt, verstehen die Schülerinnen und Schüler die Definition der Flussdichte als feldbeschreibende Größe. Magnetfeld von Permamentmagneten Magnetfeld stromdurchflossener Leiter Feldlinien Kraftwirkung auf einen stromdurchflossenen Leiter Definition des Betrags der Flussdichte: B = F I l r r r F = I ( l xb) 51 Std. Die Richtung des Feldes ist gleich der Richtung der Kraft auf den Nordpol eines Probemagneten. Demonstrationsversuche mit der Leiterschaukel, Drehspule und Paralleldrahtleitung Hinweis auf die Definition der Einheit Ampere Im Messversuch mit der Stromwaage zeigen F : I und F :ll Anwendung des aus der Mathematik bekannten Vektorprodukts Hinweis auf die Dreifingerregel Anwendungen in der Technik: Elektromotor, Drehspulmesswerk

22 Ausbildungsrichtung Technik Jahrgangsstufe Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter durch die Lorentzkraft erklärt werden kann. Sie können mit Hilfe der Lorentzkraft die Bahn geladener Teilchen beschreiben und rechnerisch erfassen Durch das Ausmessen von Spulenfeldern soll sich den Schülerinnen und Schülern die Gesetzmäßigkeit für die Flussdichte im Inneren einer langgestreckten, leeren Spule erschließen. Lorentzkraft r r r F = Q (v B) m Halleffekt Proportionalität der Hallspannung zum Betrag der Flußdichte Kreisbahn geladener Teilchen im Magnetfeld Bestimmung der spezifischen Ladung des Elektrons mit dem Fadenstrahlrohr Überlagerung von magnetischem und elektrischem Feld: Wienfilter Magnetische Flussdichte in einer langgestreckten, leeren Spule Magnetische Feldkonstante μ 0 Berechnungen nur für den Fall r v senkrecht zu B r Auf analoge Zusammenhänge beim Magneto-hydrodynamischen Generator kann verwiesen werden. Messung der magnetischen Flussdichte mit Hilfe der Hallsonde Messversuch mit der Hallsonde

23 Ausbildungsrichtung Technik Jahrgangsstufe Die Schülerinnen und Schüler können das Entstehen einer Induktionsspannung in einem bewegten Leiter mit Hilfe der Lorentzkraft erklären und berechnen. Sie erfahren, dass die Induktionsspannung allgemein durch das Induktionsgesetz beschrieben wird, können dieses anwenden und sind sich der Vielfältigkeit der technischen Anwendungen bewusst. Induktionsspannung Induktionsspannung an einem im homogenen Magnetfeld bewegten Leiter U = B l v i Magnetischer Fluss r r Φ= B A U i = N Φ i Lenzsche Regel Induktionsgesetz = N Φ U i i Erzeugung von konstanter und sinusförmiger Induktionsspannung Effektivwerte Demonstrationsversuche Messversuch Messversuch U i = Ni B A i Messversuch U i = Ni Ai B Einübung u. a. an Beispielen zur offenen und geschlossenen Leiterschleife; dabei auch rechnerische Bestätigung der Energieerhaltung Generator, Mikrofon können als Beispiele zur technischen Anwendung besprochen werden. Auf das Auftreten von Wirbelströmen sollte eingegangen werden.

24 Ausbildungsrichtung Technik Jahrgangsstufe Die Schülerinnen und Schüler erfahren anhand von Experimenten, dass Selbstinduktionsspannungen auftreten, und kennen den Zusammenhang zwischen Induktivität und Induktionsspannung. Ihnen wird bewusst, dass im Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule magnetische Energie gespeichert ist Die Schülerinnen und Schüler verstehen den Zusammenhang von Strom und angelegter Wechselspannung bei einfachen elektrischen Bauteilen. Selbstinduktionsspannung Induktivität einer langgestreckten Spule 2 N L =µ A mit µ=µ 0 µ R l U i = L I Energieinhalt einer stromdurchflossenen Spule 1 Em = L I 2 Ohmscher Widerstand, induktiver und kapazitiver Widerstand bei sinusförmiger Wechselspannung Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom Ein- und Ausschaltvorgänge demonstrieren Darauf hinweisen, dass durch diese Gleichung die Induktivität einer beliebigen Spule festgelegt wird U = U soll eingeführt werden L i Hinweis auf den Energieinhalt eines Kondensators Zeigerdiagramme verwenden Keine Verknüpfung von elektrischen Bauteilen